依托全國大學生機器人大賽培養高職學生科技創新能力

王云飛，張凱，劉冰潔

（鄭州鐵路職業技術學院，河南鄭州，451460）

0 引言

全國大學生機器人大賽 Robotac 是中國原創的國家級機器人科技競技賽事。Robotac的含義是ROBOT（機器人）+TACTIC（策略、戰略)。 賽事秉承教育宗旨、創客實踐精神，融合了電競游戲的特點，以科技創新實踐為基礎，團隊配合為策略，強化機器人對抗競技的特點，讓機器人科技競技賽事具有科普性和娛樂性 。全國Robotac機器人大賽的表現形式是以類似電競游戲中的MOBA類游戲形式展示，比賽過程是雙方機器人對抗的過程，觀賞性極強，對參賽團隊的操作能力、反應能力、團隊配合能力、以及心理素質有著相當高質量的考驗。

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1 全國大學生機器人大賽RoboTac

全國大學生機器人大賽Robotac對抗賽是將熱門游戲與機器人比賽相結合，賽制規則簡單。通過比賽，為青年大學生提供一個競技平臺，激發參賽學生的創新思維和創新能力，促進學術交流合作；提升參賽人員的科技知識水平，推動全國高校教育實踐和科學實踐團隊及平臺的建設；促進機器人科學技術知識的推廣普及，推動機器人學科和專業的創新創業教育發展與改革；加強相關技術研討和培訓，促進產學研合作，推動技術創新和轉化，為中國機器人產業培育人才。Robotac賽事的目的就是喚起以競技為核心的比賽精神，激發學生的想象力、增強動手實踐能力、心理素質以及團隊合作精神。

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“鐵甲鋼拳，接觸對抗”，ROBOTAC賽事將網絡游戲與機器人比賽相結合，規則靈活。 在符合規則的前提下，參賽選手可以自行設計如車型、人型及多樣仿生型機器人（如“車型機器人”、“人形機器人”、“仿生機器人”等）、設置執行機構。 場地分為上中下三路和雙方高地，每一條道路都設置有不同的地形和障礙，參賽隊伍根據場地特點，有針對性的制作調試機器人來適應不同的道路。 比賽中雙方機器人軍團通過直接接觸對方機器人或者攻擊對方基地堡壘得分。就是這看上去并不復雜的比賽規則，讓每一個參賽隊伍都潛心研究、晝夜創作。

2 從零基礎開始制作機器人

2018年7月15 日，鄭州鐵路職業技術學院機器人科技創新協會和無線電協會共同組成的無線電協會匠心隊，代表鄭州鐵路職業技術學院參加2018年第17屆全國Robotac機器人大賽，成功闖進全國前8強，最終取得了全國一等獎的好成績。短短的兩天賽程，5場對抗，看上去簡短刺激，像是一場游戲。但是這樣的成績背后，參賽隊員卻付出了超乎常人的努力，正所謂臺上三分鐘，臺下十年功，這樣的成績絕對不是偶然。鄭州鐵路職業技術學院參賽隊員從2017年11月份開始著手準備比賽，由于這是第二次參加此比賽，指導老師和參賽選手沒有什么太多的經驗和成果，一切只能靠參賽隊員們從頭做起，從零突破。

2017年11 月，無線電協會匠心隊參賽團隊初步形成，參賽隊員召開第一次大賽準備會議，隊員們討論整體的備賽方案和參賽機器人類型。由于比賽規則中限制曾經稱霸比賽的鏟車攻擊機構類車型（鏟車類攻擊機構簡單暴力攻擊力太強），每個參賽隊只能有一輛鏟車、一輛不死之神“牛魔王”，所以上場的其他4輛機器人的攻擊機構需要參賽隊員獨自設計制作。最終，參賽隊員們初步確定要做的車型機器人有：一輛無敵“仿生鏟車”、一輛不死之神“牛魔王”、兩輛模仿工業叉車的“仿生叉車”、三輛“手動叉車”、兩輛具有強大攻擊力的“飛輪戰車”。另外本屆大賽同往屆大賽相比，一條新的比賽規則令參賽隊伍不得不慎重考慮“如果一方戰隊的仿生機器人登上對方堡壘，并保持與地面隔離10秒鐘，將立即獲得27分比賽最高分，取得比賽的勝利”。所以隊員們打算組建特殊作戰小組，單獨研究速勝機器人“彈跳機器人”。

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目標明確，團隊便開始分工安排，每一輛要做的機器人分工到人，團隊共分成6個“作戰小組”，分別負責不同的機器人和一個后勤小組，負責團隊研發需要的材料購買工作和資料查閱工作。目標確定起來看似簡單，卻更要慎重，因為正確的努力方向，是成功的必要條件。確定目標后，各個作戰小組在組長的帶領下便開始了創作之旅。一開始各個作戰小組盡可能的發揮自己的想象，利用現有的材料，把自己腦子里的機構，通過團隊成員的雙手變成一件實實在在的事物，這個過程艱難而有趣。而正是這樣過程才是鍛煉團隊成員個人能力和團隊協作能力的好時機。什么是成功？把想法變成現實的過程便是成功。各個作戰小組把腦海中的機構畫成草圖，找材料，組合、搭建、安裝、鉆孔、打磨、可能有時候一個尺寸足夠同學們打磨幾個小時，問題一個接著一個，剛解決一個問題，新的問題便浮出水面。然而，這種解決問題的能力，正是當代大學生所需要具備的重要能力。有時候，經過不短的嘗試，同學們發現原來這樣的方案行不通，要推翻重來。這個時候便是考驗一個團隊凝聚力和意志力的最佳時機，有些同學會因為自己努力了十幾天甚至是一個月的方案被完全推翻而不能接受，心理和情緒的問題是最大的問題。然而每個小組長的作用總顯得極其重要，組長會在關鍵時刻給隊員以鼓勵。組長也經常通過談心的方式來和隊員討論方案，方案有偏差時可以及時糾正，方案行不通時，組長會組織大家一起討論，如何在現有的基礎的盡快找出合理可行的方案。就是通過一次次的溝通和談心，組長和隊員打成一片，振奮精神繼續前行。

3 投入更多的時間努力備賽

為了比賽，團隊的同學們放棄了寒假，堅決的選擇了留校備賽。做任何事情的前提都必須有一個好身體，留校期間團隊的同學每天早上頂著凜冽的寒風堅持跑步、打球等運動。有時候為了解決一個問題，大家都會討論驗證到凌晨。同學們也深知留在學校的意義何在—吃苦磨礪長技能，努力備賽爭榮譽。他們明白留校不僅僅是為了在Robotac大賽取得好成績，而是為了通過這樣的比賽提升自己的興趣和愛好，培養科技創新能力，最終實現人生的價值。他們明白雖然沒有了長長的假期卻換來了滿滿的技能，沒有了賴床的機會卻換來了團隊隊員們之間深深的友誼。功夫不負有心人，在同學們的共同努力下“仿生鏟車”、“牛魔王”、“仿生叉車”模型都已定稿。他們吃過的苦、流過的汗最終都化成了一臺臺“鐵甲戰士”。

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4 困難重重、逐個突破

然而更加艱巨的問題來了，隊員們要把這些實踐證明過的模型制作成用碳纖維材料打造的兼顧著重量強硬而硬度堅硬的完美戰車才能馳騁疆場。由于學校的大力支持，我們的資金足夠購買我們想要的碳纖維材料，然而最艱難的問題在于隊員們要掌握3d建模技術，把建好的模型送去打樣。于是，隊員們便組建建模小組在隊長的帶領下學習solidworks進行3d建模，從最簡單的畫線到能畫小零件再到能畫整個車身。光有這些還不夠，打樣回來的碳纖維材料因為打樣誤差，總有些孔對不上，不能很好的拼接，由于經驗不足，隊員們畫的車型機器人，在建模的時候很可能考慮不到一些實際的空間問題。就像隊員們一開始設計的叉車為了把重心后移，叉車的前面兩個輪子是大輪，后面兩個輪子是小輪，第一版叉車經過實踐之后發現了新的問題，輪子必須前后都是大輪，如果是前面大輪后面小輪，會出現小輪轉速跟不上大輪的情況，后輪磨損嚴重、轉彎困難的問題，最終決定把前后輪都換成大輪。而再改版時候，一個問題被忽視了，那就是車子的傾斜角度問題，后輪換成大輪了，車頭就會往下翹，不是最好的車身角度了。如果改裝的話就需要一些小的斜面零件來墊高，那么去哪里找正好合適的小斜面零件呢？

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這就要靠cura切片軟件將建好的3d小零件模型導入，連接3D打印機來打印了，于是參賽團隊便隨機應變，分配了兩個同學學習3d打印的相關技術，靠著3d打印，隊員們的一個一個小問題都在思考和努力中迎刃而解，一輛輛機器人也逐漸完成。就是這樣在備賽制作機器人的過程中，隊員們需要什么工具，就去學習什么工具，需要建模就去學習solidworks，需要自制小零件就去學習3d打印。再解決問題的同時，培養了學生的科技創新技能，提高了學生的自學能力。

5 沉著應對出現的問題

隨著比賽的臨近，機器人基本都已經完成，操作手們也開始著手練習對抗。可是越是最后關頭，越容易出問題，為了對抗更加真實，買了今年比賽用的新生命柱（生命柱：共有3格血串聯在戰車機器人的主電路中，生命柱上裝有震動傳感器，在對抗過程中如果生命柱震動過度會掉血，3格血用完戰車機器人自動斷電），在對抗的過程中新的問題產生了，裝上生命柱的戰車速度明顯減慢，并且經常斷電失控。

參賽隊員們著急的抓耳撓腮，卻束手無策，這一個問題還沒有解決，另一個天大的問題像魔鬼一樣降臨。仿生機器人的船足（利用仿生物爬行運動的一種運動機構）中的螺絲出現彎裂，這是船足足與足之間剪切力過大帶來的后果。兩個天大的問題讓隊員們感到絕望。而就在此時，指導老師的一句話讓隊員們有了突破口：“你們分成兩隊解決這兩個問題，擅長模擬電路的同學，解決斷電的問題，對機械結構有研究的同學解決凸輪中螺絲斷裂的問題。”解決斷電問題的隊員們，經過詢問和思考似乎找到了原因，官方生命柱有限流作用，電流超過30A生命柱會自動斷電，原來是隊員們做的車功率太大了，電流超過的限流值。為了驗證這個想法，用鉗式電流表，通過測量看電流值是否超出了30A,測量的結果卻令人大失所望，顯示的電流值沒有超過30A，最大的也只不過是27.8A，這又讓參賽隊員們陷入了沉思，難道是新的生命柱限流小于30A嗎？隊員又拿來了電子負載，對生命柱進行限流值測試，顯示的結果確實實在30A的時候斷電。這下問題讓人很抓狂，完全沒有了思路，陷入了絕境，此時此刻已經是深夜2點多了，其他隊員都熬不住了，先去睡了，只剩下兩名同學同學還在沉思和測試，難道是因為電流的峰值電流？鉗形表測不到？ 為了驗證這個猜想，兩位隊員想到了可以用電容和電感做一個LC濾波穩流，因為電容兩端的電壓不會突變，它能及時的補充和吸收電路中溢出或者缺失的電流，減小電流的突變，而電感兩端的電流不會突變，也有相同的作用，只是選擇起來是個問題。一般電容選擇大一點就可以，于是，兩個隊員便在電調（電機的驅動集成電路）的供電端并聯了8個容值為2200uf的電容，結果確實好很多，只是沒有徹底解決問題，斷電的現象還是存在。但是，已經找到了問題和解決方案，下面就是調試的問題了，兩個隊員開始纏繞不同H值的電感串在電路中不斷嘗試，并用電橋測試每一次電感的H值。為了完美的解決問題，兩位隊員嘗試很多種電路，經歷了層層測試、實踐、篩選終于在凌晨6點鐘的時候確定了最終方案。

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而就在這一晚，凸輪中斷裂螺絲的問題，也得到了解決，斷裂螺絲的原因很簡單，因為船足結構中凸輪的連接是靠螺絲，螺絲主要承受剪切力，只是這個問題解決起來比較麻煩，到底怎么才能讓螺絲不承受剪切力還不改變原來機構具備的運動方式呢？對機械小組的隊長想到了一個辦法，為什么凸輪之間的連接不用嵌套的方式呢？于是他便用建模軟件solidworks建出了自己的腦海中的嵌套式凸輪，凸輪和凸輪之間用凹槽和凸起的圓柱結構相連接，既不影響凸輪的轉動又能解決剪切了的問題，同時隊員們還將原來用的10.9級的不銹鋼材螺絲換成了12.9級的不銹鋼材螺絲，增強了螺絲的硬度。

就這樣，兩個天大的問題被迎刃而解，當然，整個備賽過程中隊員們遇到的問題遠遠不止這些。是他們堅持不懈、永不放棄的精神，是他們不負期望、承擔重任的勇氣，是他們憑借興趣愛好無限發揚的力量以及堅不可摧團隊協作的魅力，讓他們一路走來過關斬將，通宵達旦，最終取得全國一等獎的好成績。

6 總結

學生通過參加全國大學生機器人大賽RoboTac賽事，學會了solidworks等建模軟件、學會了3d打印的基本技能、學會了電機驅動電路的設計等等一系列學術技能，同時提高了學生的自學、動手的能力及遇到問題時沉著冷靜的應對困難的能力。最重要的是培養了學生們的興趣愛好、鍛煉了學生們的精神毅力、提高了學生們的團隊合作能力、提高了學生的科技創新能力。